[发明专利]一种纳米多孔结构的氮化钛酸锂纳米线/纳米膜一体化材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有纳米多孔结构的氮化钛酸锂纳米线/纳米膜一体化材料及其制备方法和应用，属于电化学新能源新材料技术领域。

背景技术

能源问题是现在世界上最关注的重大问题之一，一次能源如石油、天然气、煤炭等是有限的资源，石油、煤炭等资源在燃烧过程中会产生大量二氧化碳、二氧化硫、粉尘等，这对环境也造成了很大的危害，而且这些资源的总量正在不断地减少。随着世界人口数量的增加以及经济地不断发展，对能源的需求量会不断增加，开发清洁绿色、高储能效率的新能源具有重要意义。超级电容器和锂离子电池就是在这样的背景下应运而生的，它们可以被广泛应用与电子、通讯、交通等各个领域。

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)具有稳定的电势平台，常常用作锂离子电池的负极材料。与碳材料相比较，钛酸锂作为锂离子电池负极材料具有更好安全性，在充放电过程中可以有效抑制金属锂的电沉积和电解质的分解。尖晶石状钛酸锂的晶型结构稳定，在多次充放电中依然具有良好的可逆性和稳定性。钛酸锂的理论比电容为175mAh g^-1，被认为是最有前景的锂离子电池负极材料。钛酸锂还常温下锂离子扩散系数为2×10^-8cm²s^-1，比碳负极材料大一个数量级，具有良好的锂离子扩散系数。从而钛酸锂作为负极材料，使得锂离子电池的充放电速率更快。但由于钛酸锂的电导率很低，在常温下只有10^-13S cm^-1，这就限制了它的广泛应用，如何扩大钛酸锂的电导率成了目前需要重点解决的问题。

由于过渡金属的氮化物具有较高的电导率(～10^-6Ω^-1m^-1)，化学性质稳定等特点而作为电化学超级电容器和锂离子电池的电极材料，常采用气相沉积法、等离子喷涂和激光放射法等方法制备金属氮化物。对于氮化钛酸锂，氮原子替换了钛酸锂中的部分氧原子，相应的N_2p轨道处于价带边缘，与O_2p轨道发生杂化改变了钛酸锂能带结构，N掺杂有效降低钛酸锂的禁带宽度，可以提高钛酸锂本身的导电性。

目前，现有技术中已有的氮掺杂钛酸锂材料和碳包覆钛酸锂材料，其导电性能具有一定程度的提高，但是效果仍然不够理想，而且常规粉体或颗粒结构的钛酸锂电极材料存在振实密度较低的问题。

发明内容

发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化钛酸锂纳米管/纳米膜材料及其制备方法和应用。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明公开了一种纳米多孔结构的氮化钛酸锂纳米线/纳米膜一体化材料，其特征在于：包括氮化钛酸锂纳米线阵列和氮化钛酸锂纳米膜基片；所述的氮化钛酸锂纳米线阵列垂直生长在氮化钛酸锂纳米膜基片上，氮化钛酸锂纳米线与纳米膜相互垂直连接形成一体化整体结构的电活性材料；所述的氮化钛酸锂纳米线阵列具有有序排列的纳米阵列结构，氮化钛酸锂纳米膜基片具有均匀平铺的平面薄膜结构；所述氮化钛酸锂纳米线表面具有均匀分布的纳米多孔结构。

作为优选，所述的氮化钛酸锂纳米线阵列中，纳米线长度为1.5～3.0μm，纳米线直径为120～150nm。

作为另一种优选，所述的纳米多孔结构中，纳米孔直径为10～20nm。

作为另一种优选，所述氮化钛酸锂纳米膜基片的厚度为10～30nm。

本发明还提供了所述的纳米多孔结构的氮化钛酸锂纳米线/纳米膜一体化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)水热反应法制备钛酸钠纳米线/纳米膜材料：将金属钛片放入一定浓度的氢氧化钠溶液中，在一定温度下进行水热反应，先形成钛酸锂纳米膜，再形成钛酸锂纳米线阵列，制得在钛片上原位生长的钛酸钠纳米线/纳米膜材料。

(2)离子交换法制备非晶相钛酸锂纳米线/纳米膜材料：将钛酸钠纳米线/纳米膜材料放入一定浓度的盐酸溶液中，在一定温度下进行氢离子交换钠离子反应，制得钛酸纳米线/纳米膜材料；然后将钛酸纳米线/纳米膜材料放入一定浓度的氢氧化锂溶液中，在一定温度下进行锂离子交换氢离子反应，制得非晶相的钛酸锂纳米线/纳米膜材料。

(3)高温结晶法制备晶体相的钛酸锂纳米线/纳米膜材料：将非晶相的钛酸锂纳米线/纳米膜材料置于高温气氛炉中，在氩气气氛中和一定温度下进行高温煅烧处理，制得晶体相的钛酸锂纳米线/纳米膜材料。